تثمين مستدام لنفايات مناجم النحاس إلى مواد إنشائية عبر التفعيل بالقلويات

تحويل نفايات المناجم إلى لبنات بناء

تترك مناجم النحاس خلفها أكواماً شاسعة من الصخور والطين المتبقي التي يمكن أن تلوث المياه وتشوه المشاهد الطبيعية لعقود. تستكشف هذه الدراسة طريقة لتحويل تلك النفايات المزعجة إلى مادة إنشائية مفيدة، مما قد يخفف انبعاثات غازات الاحتباس الحراري الناتجة عن الأسمنت ويجعل مواقع المناجم أكثر أماناً في الوقت نفسه. باستخدام محاليل قلوية شائعة لـ «تنشيط» نفايات مناجم النحاس، يظهر الباحثون أنها قادرة على التصلب لتشكيل رابط قوي ومتین مناسب لأعمال التراب والبُنى التحتية الأخرى.

لماذا تعد نفايات النحاس مشكلة وفرصة

تنتج صناعة النحاس الحديثة كميات هائلة من النفايات: مقابل كل طن من النحاس، تُترك وراءه مئات الأطنان من المخلفات. عادة ما تُخزن هذه المخلفات في سدود أو أحواض كبيرة قد تتسرب منها المعادن إلى الأنهار والمياه الجوفية، وتنتج غباراً، أو حتى تنهار بشكل كارثي. ومع ذلك، فإن هذه النفايات غنية كيميائياً بالسيليكا والألومينا والحديد—مكونات يمكنها تكوين شبكات صلبة تشبه الحجر عند معالجتها بصورة صحيحة. وفي الوقت نفسه، يُعد الاسمنت البورتلاندي العادي، المُلزم الإنشائي القياسي عالمياً، مسؤولاً عن نحو 7–8٪ من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون البشرية. يمكن لإيجاد طرق لاستبدال جزء من هذا الأسمنت بمواد مصنوعة من نفايات المناجم أن يقلل الانبعاثات وينظف مواقع صناعية قديمة في آن واحد.

وصفة بسيطة: نفاية، محلول قلوي، ووقت

جمع الباحثون نفايات دقيقة من منجم سرچشمه في إيران، جففوها ونخلوها إلى مسحوق يشبه الرمل، ثم خلطوها بكميات صغيرة من الماء والمحاليل القلوية. اختبروا هيدروكسيد الصوديوم (قاعدي قوي)، وسيليكات الصوديوم (مذيب زجاجي سائِل)، ومزائج من الاثنين بجرعات مختلفة. ضُغِطت الخلائط في أسطوانات صغيرة وتم معالجتها في درجة حرارة الغرفة لمدة 7 أو 28 يوماً، محاكاةً لكيفية تصرف تربة مثبتة أو تعبئة في الميدان. ثم قاس الفريق مقدار الحمل الذي يمكن للعَيّنات تحمله قبل الانهيار، ومرونتها، واستجابتها لتكرار التجمد والذوبان، وكمية المعادن التي أفرزتها إلى الماء، وما بداخِلها تحت مجاهر قوية.

القوة، المتانة، ومياه ترشيح نظيفة

ارتبط الأداء بشكل كبير بنوع المحلول القلوي. أصبحت العينات المنشّطة بسيليكات الصوديوم فقط الأقوى، لتبلغ نحو 16.5 ميغا باسكال من مقاومة الانضغاط بعد 28 يوماً—أكثر من ضعف مقاومة العينات المصنوعة بهيدروكسيد الصوديوم وحده، وفوق كثير من الرّازمات المبلّغة سابقاً من نفايات المناجم. أعطت المنشطات الممزوجة نتائج وسطية. ازدادت كل الخلائط صلابة وقوة مع الزمن مع تكوّن شبكة كثيفة شبيهة بالصمغ بين الجسيمات. عندما خضعت إحدى أفضل الخلائط لدوائر من التجمد والذوبان حتى اثني عشر مرة، فقدت فقط نحو 23٪ من قوتها، وأظهرت تقريباً لا فقدان في الكتلة، وانشقاقات سطحية طفيفة فقط، مما يدل على مقاومة واعدة لتقلبات الحرارة القاسية.

حبس المعادن داخل بنية دقيقة وكثيفة

بما أن نفايات منجم النحاس تحتوي على كميات أثرية من معادن مثل النحاس والزنك والرصاص والزرنيخ، ففحص الفريق أيضاً مقدار ما يمكن أن يتسرَّب منها عند نقع المادة المتصلبة في الماء. ظل ماء الترشيح قريباً من الحياد في الرقم الهيدروجيني وكان ذو موصلية كهربائية ومنحلّات صلبة منخفضة—ضمن الإرشادات الدولية لمياه الشرب والري. مقارنة بالنفايات غير المعالجة، أطلقت المواد المنشّطة 50–85٪ أقل من المعادن المقاسة، حيث أظهرت خلطات سيليكات الصوديوم أدنى تركيزات. كشفت المجاهر والتحليل العنصري عن جِلات كثيفة وغالباً زجاجية تربط الجسيمات معاً، مع إدماج الحديد والنحاس مباشرة في هذه الشبكة. بعبارة أخرى، فإن نفس التفاعل الذي أنشأ القوة ساعد أيضاً على احتجاز العناصر الضارة المحتملة داخل المصفوفة الصلبة.

من عينات المختبر إلى حواجز في العالم الحقيقي

بشكل عام، توضح الدراسة أن نفايات مناجم النحاس الغنية بالحديد يمكن تحويلها إلى رابط ميكانيكي قوي ومستقر كيميائياً باستخدام محاليل قلوية ومعالجة في الظروف المحيطة فقط، دون إضافة أسمنت أو مواد أولية أخرى. المادة الناتجة قوية بما يكفي للعديد من التطبيقات الجيوبيئية، مثل الردميات، وملء المناجم، والحواجز الهندسية، وتقاوم كل من أضرار التجمد–الذوبان وتسرُّب المعادن تحت الظروف المختبرة. وبينما هناك حاجة لمزيد من العمل لاختبار الأداء على المدى الطويل وتباينات تركيبة النفايات على نطاق كامل، يقدم هذا النهج مساراً واعداً لتحويل تيار نفايات كبير وخطير إلى مواد بناء منخفضة الكربون ضمن إطار اقتصاد دائري.

الاستشهاد: Fattahi, S.M., Nastooh, M.Y., Heydari, A. et al. Sustainable valorization of copper mine waste into construction materials by alkali activation. Sci Rep 16, 7043 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38224-0

الكلمات المفتاحية: نفايات منجم النحاس, رازم منشّط بالقلويات, انشاءات منخفضة الكربون, إعادة استخدام مخلفات المناجم, تثبيت المعادن الثقيلة